Android插件化原理（一）Activity插件化
Android深入四大組件系列
Android解析AMS系列
Android解析ClassLoader系列
前言
四大組件的插件化是插件化技術的核心知識點，而Activity插件化更是重中之重，Activity插件化主要有三種實現方式，分別是反射實現、接口實現和Hook技術實現。反射實現會對性能有所影響，主流的插件化框架沒有采用此方式，關於接口實現可以閱讀dynamic-load-apk的源碼，這裏不做介紹，目前Hook技術實現是主流，因此本篇文章主要介紹Hook技術實現。
Hook技術實現主要有兩種解決方案 ，一種是通過Hook IActivityManager來實現，另一種是Hook Instrumentation實現。在講到這兩個解決方案前，我們需要從整體上了解Activity的啟動流程。
1.Activity的啟動過程回顧
Activity的啟動過程主要分為兩種，一種是根Activity的啟動過程，一種是普通Activity的啟動過程。關於根Activity的啟動過程在在介紹過，這裏來簡單回顧下，如下圖所示。 
圖 1
首先Launcher進程向AMS請求創建根Activity，AMS會判斷根Activity所需的應用程序進程是否存在並啟動，如果不存在就會請求Zygote進程創建應用程序進程。應用程序進程啟動後，AMS會請求應用程序進程創建並啟動根Activity。
普通Activity和根Activity的啟動過程大同小異，但是沒有這麽復雜，因為不涉及應用程序進程的創建，跟Laucher也沒關系，如下圖所示。 
圖2
上圖抽象的給出了普通Acticity的啟動過程。在應用程序進程中的Activity向AMS請求創建普通Activity（步驟1），AMS會對
這個Activty的生命周期管和棧進行管理，校驗Activity等等。如果Activity滿足AMS的校驗，AMS就會請求應用程序進程中的ActivityThread去創建並啟動普通Activity（步驟2）。
2.Hook IActivityManager方案實現
AMS是在SystemServer進程中，我們無法直接進行修改，只能在應用程序進程中做文章。可以采用預先占坑的方式來解決沒有在AndroidManifest.xml中顯示聲明的問題，具體做法就是在上圖步驟1之前使用一個在AndroidManifest.xml中註冊的Activity來進行占坑，用來通過AMS的校驗。
接著在步驟2之後用插件Activity替換占坑的Activity，接下來根據這個解決方案我們來實踐一下。
2.1 註冊Activity進行占坑
為了更好的講解啟動插件Activity的原理，這裏省略了插件Activity的加載邏輯，直接創建一個TargetActivity來代表已經加載進來的插件Activity，接著我們再創建一個SubActivity用來占坑。在AndroidManifest.xml中註冊SubActivity，如下所示。
AndroidManifest.xml
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
package="com.example.liuwangshu.pluginactivity">S
<application
...
<activity android:name=".StubActivity"/>
</application>
</manifest>
TargetActivity用來代表已經加載進來的插件Activity，因此不需要在AndroidManifest.xml進行註冊。如果我們直接在MainActivity中啟動TargetActivity肯定會報錯（android.content.ActivityNotFoundException異常）。
2.2 使用占坑Activity通過AMS驗證
為了防止報錯，需要將啟動的TargetActivity替換為SubActivity，用SubActivity來通過AMS的驗證。在第六章時講過Android 8.0與7.0的AMS家族有一些差別，主要是Android 8.0去掉了AMS的代理ActivityManagerProxy，代替它的是IActivityManager，直接采用AIDL來進行進程間通信。
Android7.0的Activity的啟動會調用ActivityManagerNative的getDefault方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManagerNative.java
static public IActivityManager getDefault() {
return gDefault.get(www.hjha178.com/);
}
private static final Singleton<IActivityManager> gDefault = new Singleton<IActivityManager>() {
protected IActivityManager create(www.chuangshi88.cn/) {
IBinder b = ServiceManager.getService("activity");
if (false) {
Log.v("ActivityManager", "default service binder = " + b);
}
IActivityManager am = asInterface(b);
if (false) {
Log.v("ActivityManager", "default service = " + am);
}
return am;
getDefault方法返回了IActivityManager類型的對象，IActivityManager借助了Singleton類來實現單例，而且gDefault又是靜態的，因此IActivityManager是一個比較好的Hook點。
Android8.0的Activity的啟動會調用ActivityManager的getService方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityManager.java
public static IActivityManager getService() {
return IActivityManagerSingleton.get();
}
private static final Singleton<IActivityManager> IActivityManagerSingleton =
new Singleton<IActivityManager>() {
@Override
protected IActivityManager create() {
final IBinder b = ServiceManager.getService(Context.ACTIVITY_SERVICE);
final IActivityManager am = IActivityManager.Stub.asInterface(b);
return am;
同樣的，getService方法返回了了IActivityManager類型的對象，並且IActivityManager借助了Singleton類來實現單例，確定了無論是Android7.0還是Android8.0，IActivityManager都是比較好的Hook點。Singleton類如下所示，後面會用到。
frameworks/base/core/java/android/util/Singleton.java
public abstract class Singleton<T> {
private T mInstance;
protected abstract T create();
public final T get() {
synchronized (this) {
if (mInstance == null) {
mInstance = create();
}
return mInstance;
由於Hook需要多次對字段進行反射操作，先寫一個字段工具類FieldUtil：
FieldUtil.java
public class FieldUtil {
public static Object getField(Class clazz, Object target, String name) throws Exception {
Field field = clazz.getDeclaredField(name);
field.setAccessible(true);
return field.get(target);
}
public static Field getField(Class clazz, String name) throws Exception{
Field field = clazz.getDeclaredField(name);
field.setAccessible(true);
return field;
}
public static void setField(Class clazz, Object target, String name, Object value) throws Exception {
Field field = clazz.getDeclaredField(name);
field.setAccessible(true);
field.set(target, value);
其中setField方法不會馬上用到，接著定義替換IActivityManager的代理類IActivityManagerProxy，如下所示。
public class IActivityManagerProxy implements InvocationHandler {
private Object mActivityManager;
private static final String TAG = "IActivityManagerProxy";
public IActivityManagerProxy(Object activityManager) {
this.mActivityManager = activityManager;
}
@Override
public Object invoke(Object o, Method method, Object[] args) throws Throwable {
if ("startActivity".equals(method.getName())) {//1
Intent intent = null;
int index = 0;
for (int i = 0; i < args.length; i++) {
if (args[i] instanceof Intent) {
index = i;
break;
}
}
intent = (Intent) args[index];
Intent subIntent = new Intent(www.lgzx520.cn/);//2
String packageName = "com.example.liuwangshu.pluginactivity";
subIntent.setClassName(packageName,packageName+".StubActivity");//3
subIntent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENT, intent);//4
args[index] = subIntent;www.leyoueryule.com///5
}
return method.invoke(mActivityManager, args);
Hook點IActivityManager是一個接口，建議采用動態代理。在註釋1處攔截startActivity方法，接著獲取參數args中第一個Intent對象，它是原本要啟動插件TargetActivity的Intent。註釋2、3處新建一個subIntent用來啟動的StubActivity，註釋4處將這個TargetActivity的Intent保存到subIntent中，便於以後還原TargetActivity。註釋5處用subIntent賦值給參數args，這樣啟動的目標就變為了StubActivity，用來通過AMS的校驗。
最後用代理類IActivityManagerProxy來替換IActivityManager，如下所示。
HookHelper.java
public class HookHelper {
public static final String TARGET_INTENT = "target_intent";
public static void hookAMS() throws Exception {
Object defaultSingleton=null;
if (Build.VERSION.SDK_INT >= 26) {//1
Class<?> activityManageClazz =www.leyouzaixian2.com Class.forName("android.app.ActivityManager");
//獲取activityManager中的IActivityManagerSingleton字段
defaultSingleton= FieldUtil.getField(activityManageClazz ,null,"IActivityManagerSingleton");
} else {
Class<?> activityManagerNativeClazz = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative");
//獲取ActivityManagerNative中的gDefault字段
defaultSingleton= FieldUtil.getField(activityManagerNativeClazz,null,"gDefault");
}
Class<?> singletonClazz = Class.forName("android.util.Singleton");
Field mInstanceField= FieldUtil.getField(singletonClazz ,"mInstance");//2
//獲取iActivityManager
Object iActivityManager = mInstanceField.get(defaultSingleton);//3
Class<?> iActivityManagerClazz = Class.forName("android.app.IActivityManager");
Object proxy = Proxy.newProxyInstance(Thread.currentThread().getContextClassLoader(),
new Class<?>[] { iActivityManagerClazz }, new IActivityManagerProxy(iActivityManager));
mInstanceField.set(defaultSingleton, proxy);
首先在註釋1處對系統版本進行區分，最終獲取的是 Singleton<IActivityManager>類型的IActivityManagerSingleton或者gDefault字段。註釋2處獲取Singleton類中的mInstance字段，從前面Singleton類的代碼可以得知mInstance字段的類型為T，在註釋3處得到IActivityManagerSingleton或者gDefault字段中的T的類型，T的類型為IActivityManager。最後動態創建代理類IActivityManagerProxy，用IActivityManagerProxy來替換IActivityManager。
自定義一個Application，在其中調用HookHelper 的hookAMS方法，如下所示。
MyApplication.java
public class MyApplication extends Application {
@Override
public void attachBaseContext(Context base) {
super.attachBaseContext(base);
try {
HookHelper.hookAMS();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}- 1
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在MainActivity中啟動TargetActivity，如下所示。
MainActivity.java
public class MainActivity extends Activity {
private Button bt_hook;
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
bt_hook = (Button) this.findViewById(R.id.bt_hook);
bt_hook.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View view) {
Intent intent = new Intent(MainActivity.this, TargetActivity.class);
startActivity(intent);
點擊Button時，啟動的並不是TargetActivity而是SubActivity，同時Log中打印了”hook成功”，說明我們已經成功用SubActivity通過了AMS的校驗。
2.3 還原插件Activity
前面用占坑Activity通過了AMS的校驗，但是我們要啟動的是插件TargetActivity，還需要用插件TargetActivity來替換占坑的SubActivity，這一替換的時機就在圖2的步驟2之後。
ActivityThread啟動Activity的過程，如圖3所示。 
圖3
ActivityThread會通過H將代碼的邏輯切換到主線程中，H類是ActivityThread的內部類並繼承自Handler，如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
private class H extends Handler {
public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
public static final int PAUSE_ACTIVITY = 101;
...
public void handleMessage(Message msg) {
if (DEBUG_MESSAGES) Slog.v(TAG, ">>> handling: " + codeToString(msg.what));
switch (msg.what) {
case LAUNCH_ACTIVITY: {
Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "activityStart");
final ActivityClientRecord r = (ActivityClientRecord) msg.obj;
r.packageInfo = getPackageInfoNoCheck(
r.activityInfo.applicationInfo, r.compatInfo);
handleLaunchActivity(r, null, "LAUNCH_ACTIVITY");
Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
} break;
...
H中重寫的handleMessage方法會對LAUNCH_ACTIVITY類型的消息進行處理，最終會調用Activity的onCreate方法。那麽在哪進行替換呢？接著來看Handler的dispatchMessage方法：
frameworks/base/core/java/android/os/Handler.java
public void dispatchMessage(Message msg) {
if (msg.callback != null) {
handleCallback(msg);
} else {
if (mCallback != null) {
if (mCallback.handleMessage(msg)) {
return;
}
}
handleMessage(msg);
Handler的dispatchMessage用於處理消息，看到如果Handler的Callback類型的mCallback不為null，就會執行mCallback的handleMessage方法。因此，mCallback可以作為Hook點，我們可以用自定義的Callback來替換mCallback，自定義的Callback如下所示。
HCallback.java
public class HCallback implements Handler.Callback{
public static final int LAUNCH_ACTIVITY = 100;
Handler mHandler;
public HCallback(Handler handler) {
mHandler = handler;
}
@Override
public boolean handleMessage(Message msg) {
if (msg.what == LAUNCH_ACTIVITY) {
Object r = msg.obj;
try {
//得到消息中的Intent(啟動SubActivity的Intent)
Intent intent = (Intent) FieldUtil.getField(r.getClass(), r, "intent");
//得到此前保存起來的Intent(啟動TargetActivity的Intent)
Intent target = intent.getParcelableExtra(HookHelper.TARGET_INTENT);
//將啟動SubActivity的Intent替換為啟動TargetActivity的Intent
intent.setComponent(target.getComponent());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
mHandler.handleMessage(msg);
return true;
HCallback實現了Handler.Callback，並重寫了handleMessage方法，當收到消息的類型為LAUNCH_ACTIVITY時，將啟動SubActivity的Intent替換為啟動TargetActivity的Intent。接著我們在HookHelper中定義一個hookHandler方法如下所示。
HookHelper.java
public static void hookHandler() throws Exception {
Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Object currentActivityThread= FieldUtil.getField(activityThreadClass ,null,"sCurrentActivityThread");//1
Field mHField = FieldUtil.getField(activityThread,"mH");//2
Handler mH = (Handler) mHField.get(currentActivityThread);//3
ActivityThread類中有一個靜態變量sCurrentActivityThread，用於表示當前的ActivityThread對象，因此在註釋1處獲取ActivityThread中定義的sCurrentActivityThread對象。註釋2處獲取ActivityThread類的mH字段，接著在註釋3處獲取當前ActivityThread對象中的mH對象，最後用HCallback來替換mH中的mCallback。
在MyApplication的attachBaseContext方法中調用HookHelper的hookHandler方法，運行程序，當我們點擊啟動插件按鈕，發現啟動的是插件TargetActivity。
2.4 插件Activity的生命周期
插件TargetActivity確實啟動了，但是它有生命周期嗎？這裏從源碼角度來進行分析，Activity的finish方法可以觸發Activity的生命周期變化，和Activity的啟動過程類似，finish方法如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java
public void finish() {
finish(DONT_FINISH_TASK_WITH_ACTIVITY);
}
private void finish(int finishTask) {
if (mParent == null) {
int resultCode;
Intent resultData;
synchronized (this) {
resultCode = mResultCode;
resultData = mResultData;
}
if (false) Log.v(TAG, "Finishing self: token=" + mToken);
try {
if (resultData != null) {
resultData.prepareToLeaveProcess(this);
}
if (ActivityManager.getService()
.finishActivity(mToken, resultCode, resultData, finishTask)) {//1
mFinished = true;
}
} catch (RemoteException e) {
// Empty
}
} else {
mParent.finishFromChild(this);
finish方法的調用鏈和Activity的啟動過程是類似的，註釋1處會調用的AMS的finishActivity方法，接著是AMS通過ApplicationThread調用ActivityThread，ActivityThread向H發送DESTROY_ACTIVITY類型的消息，H接收到這個消息會執行handleDestroyActivity方法，handleDestroyActivity方法又調用了performDestroyActivity方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
private ActivityClientRecord performDestroyActivity(IBinder token, boolean finishing,
int configChanges, boolean getNonConfigInstance) {
ActivityClientRecord r = mActivities.get(token);//1
...
try {
r.activity.mCalled = false;
mInstrumentation.callActivityOnDestroy(r.activity);//2
...
} catch (SuperNotCalledException e) {
...
}
}
mActivities.remove(token);
StrictMode.decrementExpectedActivityCount(activityClass);
return r;
註釋1處通過IBinder類型的token來獲取ActivityClientRecord，ActivityClientRecord用於描述應用進程中的Activity。在註釋2處調用Instrumentation的callActivityOnDestroy方法來調用Activity的OnDestroy方法，並傳入了r.activity。前面的例子我們用SubActivity替換了TargetActivity通過了AMS的校驗，這樣AMS只知道SubActivity的存在，那麽AMS是如何能控制TargetActivity生命周期的回調的？我們接著往下看，啟動Activity時會調用ActivityThread的performLaunchActivity方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
...
java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
activity = mInstrumentation.newActivity(
cl, component.getClassName(), r.intent);//1
...
activity.attach(appContext, this, getInstrumentation(), r.token,
r.ident, app, r.intent, r.activityInfo, title, r.parent,
r.embeddedID, r.lastNonConfigurationInstances, config,
r.referrer, r.voiceInteractor, window, r.configCallback);
...
mActivities.put(r.token, r);//2
...
return activity;
註釋1處根據Activity的類名用ClassLoader加載Acitivty，接著調用Activity的attach方法，將r.token賦值給Activity的成員變量mToken。在註釋2處將ActivityClientRecord根據r.token存在mActivities中（mActivities類型為ArrayMap<IBinder, ActivityClientRecord> ），再結合Activity的finish方法的註釋1處，可以得出結論：AMS和ActivityThread之間的通信采用了token來對Activity進行標識，並且此後的Activity的生命周期處理也是根據token來對Activity進行標識的。
回到我們這個例子來，我們在Activity啟動時用插件TargetActivity替換占坑SubActivity，這一過程在performLaunchActivity方法調用之前，因此註釋2處的r.token指向的是TargetActivity，在performDestroyActivity的註釋1處獲取的就是代表TargetActivity的ActivityClientRecord，可見TargetActivity是具有生命周期的。
3.Hook Instrumentation方案實現
Hook Instrumentation實現要比Hook IActivityManager實現要簡潔一些，示例代碼會和Hook IActivityManager實現有重復，重復的部分這裏不再贅述。
Hook Instrumentation實現同樣也需要用到占坑Activity，與Hook IActivityManager實現不同的是，用占坑Activity替換插件Activity以及還原插件Activity的地方不同。Acitivty的startActivity方法調用時序圖如圖4所示。 
圖4
從圖4可以發現，在Activity通過AMS校驗前，會調用Activity的startActivityForResult方法：
frameworks/base/core/java/android/app/Activity.java
public void startActivityForResult(@RequiresPermission Intent intent, int requestCode,
@Nullable Bundle options) {
if (mParent == null) {
options = transferSpringboardActivityOptions(options);
Instrumentation.ActivityResult ar =
mInstrumentation.execStartActivity(
this, mMainThread.getApplicationThread(), mToken, this,
intent, requestCode, options);
...
} else {
...
startActivityForResult方法中調用了Instrumentation的execStartActivity方法來激活Activity的生命周期。
如圖3所示，ActivityThread啟動Activity的過程中會調用ActivityThread的performLaunchActivity方法，如下所示。
frameworks/base/core/java/android/app/ActivityThread.java
private Activity performLaunchActivity(ActivityClientRecord r, Intent customIntent) {
...
//創建要啟動Activity的上下文環境
ContextImpl appContext = createBaseContextForActivity(r);
Activity activity = null;
try {
java.lang.ClassLoader cl = appContext.getClassLoader();
//用類加載器來創建Activity的實例
activity = mInstrumentation.newActivity(
cl, component.getClassName(), r.intent);//1
...
} catch (Exception e) {
...
}
...
return activity;
註釋1處調用了mInstrumentation的newActivity方法，其內部會用類加載器來創建Activity的實例。看到這裏我們可以得到方案，就是在Instrumentation的execStartActivity方法中用占坑SubActivity來通過AMS的驗證，在Instrumentation的newActivity方法中還原TargetActivity，這兩部操作都和Instrumentation有關，因此我們可以用自定義的Instrumentation來替換掉mInstrumentation。首先我們自定義一個Instrumentation，在execStartActivity方法中將啟動的TargetActivity替換為SubActivity，如下所示。
InstrumentationProxy.java
public class InstrumentationProxy extends Instrumentation {
private Instrumentation mInstrumentation;
private PackageManager mPackageManager;
public InstrumentationProxy(Instrumentation instrumentation, PackageManager packageManager) {
mInstrumentation = instrumentation;
mPackageManager = packageManager;
}
public ActivityResult execStartActivity(
Context who, IBinder contextThread, IBinder token, Activity target,
Intent intent, int requestCode, Bundle options) {
List<ResolveInfo> infos = mPackageManager.queryIntentActivities(intent, PackageManager.MATCH_ALL);
if (infos == null || infos.size() == 0) {
intent.putExtra(HookHelper.TARGET_INTENsT_NAME, intent.getComponent().getClassName());//1
intent.setClassName(who, "com.example.liuwangshu.pluginactivity.StubActivity");//2
}
try {
Method execMethod = Instrumentation.class.getDeclaredMethod("execStartActivity",
Context.class, IBinder.class, IBinder.class, Activity.class, Intent.class, int.class, Bundle.class);
return (ActivityResult) execMethod.invoke(mInstrumentation, who, contextThread, token,
target, intent, requestCode, options);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
首先查找要啟動的Activity是否已經在AndroidManifest.xml中註冊了，如果沒有就在註釋1處將要啟動的Activity(TargetActivity)的ClassName保存起來用於後面還原TargetActivity，接著在註釋2處替換要啟動的Activity為StubActivity，最後通過反射調用execStartActivity方法，這樣就可以用StubActivity通過AMS的驗證。在InstrumentationProxy 的newActivity方法還原TargetActivity，如下所示。
InstrumentationProxy.java
public Activity newActivity(ClassLoader cl, String className, Intent intent) throws InstantiationException,
IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
String intentName = intent.getStringExtra(HookHelper.TARGET_INTENT_NAME);
if (!TextUtils.isEmpty(intentName)) {
return super.newActivity(cl, intentName, intent);
}
return super.newActivity(cl, className, intent);
newActivity方法中創建了此前保存的TargetActivity，完成了還原TargetActivity。
編寫hookInstrumentation方法，用InstrumentationProxy替換mInstrumentation：
HookHelper.java
public static void hookInstrumentation(Context context) throws Exception {
Class<?> contextImplClass = Class.forName("android.app.ContextImpl");
Field mMainThreadField =FieldUtil.getField(contextImplClass,"mMainThread");//1
Object activityThread = mMainThreadField.get(context);//2
Class<?> activityThreadClass = Class.forName("android.app.ActivityThread");
Field mInstrumentationField=FieldUtil.getField(activityThreadClass,"mInstrumentation");//3
FieldUtil.setField(activityThreadClass,activityThread,"mInstrumentation",new InstrumentationProxy((Instrumentation) mInstrumentationField.get(activityThread),
context.getPackageManager()));
註釋1處獲取ContextImpl類的ActivityThread類型的mMainThread字段，註釋2出獲取當前上下文環境的ActivityThread對象。
註釋3出獲取ActivityThread類中的mInstrumentation字段，最後用InstrumentationProxy來替換mInstrumentation。
在MyApplication的attachBaseContext方法中調用HookHelper的hookInstrumentation方法，運行程序，當我們點擊啟動插件按鈕，發現啟動的是插件TargetActivity。
4. 總結
這一節我們學到了啟動插件Activity的原理，主要的方案就是先用一個在AndroidManifest.xml中註冊的Activity來進行占坑，用來通過AMS的校驗，接著在合適的時機用插件Activity替換占坑的Activity。為了更好的講解啟動插件Activity的原理，本小節省略了插件Activity的加載邏輯，直接創建一個TargetActivity來代表已經加載進來的插件Activity。同時這一節使我們更好的理解了Activity的啟動過程。更多的Android插件化原理請查看即將要出版的《Android進階之光》續作。
Android插件化原理（一）Activity插件化